Чувствительная система гравиметра.

Наиболее наглядно устройство системы гравиметра выглядит на примере прибора ГАК-7Т (рис. 2.15).

На кварцевой рамке (1) натянута тонкая кварцевая нить (2), на которой укреплены: маятник (3), рычаг с главной астазирующей пружиной (4), диапазонный рычаг с диапазонной пружиной (5) и винтом (6). С основной несущей нитью связаны также элементы системы температурной компенсации - рамка (10), нить компенсации линейной составляющей температуры (11), пружина компенсации нелинейной составляющей температуры (12), рычаг (13), укрепленный на оси (15) и металлическая нить (14). Измерительная рамка (7) с рычагом и пружиной (8) соединяется с микрометренным винтом (9), на котором укреплена шестеренка счетчика оборотов.

Астазирующая пружина служит для повышения чувствительности гравиметра. Диапазонным винтом можно грубо подстраивать наиболее удобный отсчет на исходной точке съёмки, где значение поля силы тяжести принято за нулевое. Измерения приращений силы тяжести Dg осуществляется компенсационным способом. На пунктах наблюдений маятник (3) под действием силы тяжести отклоняется вниз или вверх. Вращая микрометренный винт (9) и натягивая или опуская пружину (8), оператор выводит маятник в горизонтальное положение. Мерой измеряемого приращения силы тяжести служит количество оборотов винта (9), необходимое для компенсации отклонения маятника. Регистрация положения маятника оптическая. На конце маятника установлен тонкий кварцевый стерженек (21).

Положение маятника контролируют в окуляре, в который луч света попадает от лампочки (16), проходя через систему линз (17), отражаясь в зеркальце (18) и преломляясь в призме (19). В окуляре блик маятника виден колеблющимся справа налево. Для того чтобы амплитуда качания маятника была не более пределов видимости окуляра, конец маятника помещен между зубцами вилки ограничителя колебаний. Все элементы системы, кроме нити (14) и ограничителя выполнены из плавленого кварца, поскольку у кварца очень мал температурный коэффициент расширения. Однако под действием температуры изменяется хрупкость кварца, поэтому в гравиметре предусмотрены меры к уменьшению влияния внешних температурных воздействий.

На тонкой нити, являющейся осью вращения, укреплен рычаг (маятник) с массивным грузиком на конце. Маятник удерживается в исходном положении силой натяжения главной (астазирующей) пружины, (нижний конец которой через рычаг прикреплен к маятнику) и силой закручивания нити подвеса маятника.

При изменении силы тяжести маятник прибора отклоняется от положения равновесия, растягивая главную пружину и закручивая нить подвеса до тех пор, пока момент силы тяжести не будет уравновешен моментом главной пружины и моментом закручивания нити подвеса. Действие силы тяжести компенсируют, закручивая измерительные пружины. Для фиксации маятника в положении равновесия на нем имеется индекс, который совмещается в поле зрения окуляра микроскопа с нулевым делением шкалы. В момент совмещения индекса маятника с нулевым делением шкалы берут отсчет в делениях шкалы микрометра n (рис.2.16).

Действие астазирующей пружины приводит к тому, что повышается чувствительность гравиметра: при небольших изменениях силы тяжести в результате нарушения равновесия маятник отклоняется на достаточно большой угол.

Для перевода показаний прибора в делениях шкалы микрометра в единицы изменения силы тяжести - миллигалы (мГл), используют переводной коэффициент - цену деления гравиметра С(т.е. значение в мгл, соответствующее одному обороту шкалы микрометренного винта).

Приращение силы тяжести между двумя пунктами наблюдений Dg вычисляют по формуле:

Dg = С(n₂-n₁).(2.52)

где n₁ и n₂ - отсчеты в делениях шкалы микрометра в пунктах 1 и 2. Цену деления гравиметра определяют при эталонировании (см. ниже).

Чувствительная система гравиметра помещена в специальный корпус, в котором предусмотрен ряд мер теплоизоляции системы: на корпус надет шерстяной чулок, он помещен в сосуд Дьюара (термос) и т.п. Это сделано с целью уменьшения сползания нуль-пункта прибора за счет изменений температуры. Для учета смещения нуль-пункта во времени в процессе проведения гравиметрических съемок через определенные промежутки времени (2-3 часа) производят наблюдения на точках опорной гравиметрической сети, в которых значение силы тяжести заранее определено с повышенной точностью.

Рис. 2.16. Вид отсчетного устройства гравиметра ГАК-7Т

Современные гравиметры типа ГАК позволяют измерять силу тяжести с точностью до 0,01 мГал. Они позволяют проводить только относительные измерения Dg, следовательно, для получения абсолютных значений силы тяжести необходимо привязываться к опорной гравиметрической сети. Такую увязку выполняют, как правило, многократными рейсами на вертолетах или автомашинах.

Гравиметры типа ГАК просты в обращении, время наблюдений на одном пункте 1-2 мин. Малая масса гравиметров (6-7 кг) позволяет использовать их в труднопроходимых районах.

Гравиметры зарубежных фирм (Уорден, Шарп, Содин и др.) по внешнему виду, принципиальному устройству кварцевой системы и порядку работы с ними почти не отличаются от рассмотренных гравиметров (рис. 2.17).

Методика работ с гравиметрами и порядок наблюдений определяются двумя основными особенностями. Это наличие смещения нуль-пункта гравиметра (иногда говорят – сползание или дрейф нуля, по английски – drift) и то, что гравиметры измеряют приращение силы тяжести Δg от какого-то исходного (или опорного пункта). В зависимости от конкретного гравиметра, его класса точности и типа смещение нуль-пункта можно считать линейным, обеспечивающим определенную погрешность, указанную в паспорте, в течение 2 – 3 часов. У гравиметров класса «А» это время может доходить до 5 часов. Поэтому, для того, чтобы определить величину смещения нуля, при измерениях оператор должен систематически через указанное время проводить измерения на опорном пункте, на котором значение силы тяжести заранее определено с повышенной точностью.

В последнее время появились компьютеризированные гравиметры, позволяющие повысить точность измерений на порядок по сравнению рассмотренными. Внешний вид и технические данные такого гравиметра приведены на рис 2.18. Можно обратить внимание на то, что дрейф нуля здесь составляет 0,02 мГал в день, что дает возможность при съемке обходиться без опорной сети, выставляя один опорный пункт в районе полевого лагеря.

Рис. 2.17. Внешний вид кварцевых астазированных гравиметров.

Рис.2.18. Компьютеризированный гравиметр CG-5 AutoGrav.

Однако фактически методика обработки результатов съемки (особенно в горных районах) оказалась не готовой к таким точностям измерений. Введением различных поправок (редукции, поправка за окружающий рельеф) из-за отсутствия сведений об истинной плотности пород промежуточного слоя точность определения аномальных значений поля ухудшается.

Несколько гравиметров такого типа уже имеются в России. Судя по техническим характеристикам, при работе с ними достаточно будет иметь одну опорную точку и методика работ значительно упростится.